(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
1つまたは複数の燃料貯蔵器と、
前記1つまたは複数の貯蔵器に接続された1つまたは複数のパイプと、
前記1つまたは複数のパイプに接続され、且つキャビティ内に導かれると共に燃料を流出させる1つまたは複数の多孔質管であって、該多孔質管から流出された燃料が該多孔質管の側部上で酸素と燃焼してプラズマを生成する、1つまたは複数の多孔質管と、
からなる触媒加熱装置であって、
前記キャビティは前記1つまたは複数の多孔質管からの燃料との触媒燃焼を達成するために酸化剤ガスと拡散的に接触する多孔質触媒壁によって囲まれ、
前記触媒燃焼が前記多孔質管の側部上における前記燃焼より低い温度で行われ、
酸化は、前記多孔質触媒壁の外側から拡散する酸化剤分子と前記多孔質触媒壁に向かって拡散する前記キャビティ内のプラズマとの間で前記多孔質触媒壁上で発生することができ、前記プラズマは、前記1つまたは複数の多孔質管を介して放出される気化燃料から熱形成され、酸化により熱が発生する、触媒加熱装置。
【請求項２】
前記燃料は、沸騰し、温度自動調節挙動の状態をもたらす、請求項1に記載の触媒加熱装置。
【請求項３】
前記1つまたは複数のパイプは、前記1つまたは複数の多孔質管への液体燃料の流れを制約するのに十分小さな直径および十分長い長さを有する供給燃料管を備え、前記供給燃料管は、前記燃料が供給燃料管内で気化し、さらに大きな体積効果で供給管を通る燃料流送出速度を低減するように触媒燃焼と熱的に接触する、請求項1に記載の触媒加熱装置。
【請求項４】
前記多孔質触媒壁は、高温基板材料の多孔質マトリックスと触媒材料のコーティングとからなる、請求項1に記載の触媒加熱装置。
【請求項５】
前記多孔質触媒壁は、マトリックスケージとともに封じ込められる、請求項4に記載の触媒加熱装置。
【請求項６】
前記マトリックスケージは、熱伝導体であり、流体の循環を有することができる、請求項5に記載の触媒加熱装置。
【請求項７】
前記多孔質触媒壁は、白金、パラジウム、ロジウム、銅、亜鉛、ニッケル、イリジウム、スズ、オスミウム、ルテニウム、銀、酸化チタン、鉄、および遷移金属からなる群から選択された触媒でコーティングされたロックウールからなる、請求項1に記載の触媒加熱装置。
【請求項８】
前記多孔質触媒壁は、高触媒粒子に近接近する位置にある、請求項1に記載の触媒加熱装置。
【請求項９】
前記1つまたは複数の多孔質管は、前記1つまたは複数の多孔質管の上に出口を有するように垂直に配向される、請求項1に記載の触媒加熱装置。
【請求項１０】
熱は、前記多孔質触媒壁との伝導性の接触によって加熱装置から除去される、請求項1に記載の触媒加熱装置。
【請求項１１】
熱は、前記多孔質触媒壁からの放射伝熱によって除去される、請求項1に記載の触媒加熱装置。
【請求項１２】
熱は、ヒートパイプまたは流体循環システムによって除去される、請求項1に記載の触媒加熱装置。
【請求項１３】
前記流体循環システムは、ポンプ、弁、流体貯蔵器、熱貯蔵器、またはこれらの組み合わせからなる、請求項12に記載の触媒加熱装置。
【請求項１４】
前記キャビティ、多孔質触媒壁、またはこれらの組み合わせと熱的に接触している熱電堆または熱/電気変換デバイスをさらに備える、請求項1に記載の触媒加熱装置。
【請求項１５】
前記燃料は沸騰して、前記燃料を加圧し、前記燃料を前記1つまたは複数の多孔質管から離れる方向に押しやる、請求項1に記載の触媒加熱装置。
【請求項１６】
前記触媒加熱装置は、燃料セル、機械類、サーモスタット制御熱燃料セル、衣服、自動車、温室、衣服、運動場、船のデッキ、ランディングパッド、歩道、壁、電子機器、鏡、窓、温室、電池、構造物、建物、空気ダクト、家、車道、またはこれらの組み合わせを加熱するために使用される、請求項1に記載の触媒加熱装置。
【請求項１７】
前記触媒加熱装置は、水素、一酸化炭素、メタン、ブタン、プロパン、メタノール、エタノール、エーテル、エタン、ペンタン、ジメチルエーテルのガスを燃焼する、請求項1に記載の触媒加熱装置。
【請求項１８】
前記触媒加熱装置は、燃料セル、精油所、または不燃性ガスを発生するプロセスから出るベントガスを燃焼する、請求項1に記載の触媒加熱装置。
【請求項１９】
温度に応じて流れを許すか、または流れを遮断するための熱作動弁をさらに備える、請求項1に記載の触媒加熱装置。
【請求項２０】
燃料フィルター、エアフィルター、またはこれらの組み合わせをさらに備える、請求項1に記載の触媒加熱装置。
【請求項２１】
空気吸入口、燃料吸入口、またはこれらの組み合わせを有する排気装置上の熱交換器をさらに備える、請求項1に記載の触媒加熱装置。
【請求項２２】
煙突またはファン内の対流する空気流が、前記多孔質触媒壁の近くに酸素を補充する、請求項1に記載の触媒加熱装置。
【請求項２３】
前記触媒加熱装置は、電力を、DC/DC変換器、電池、キャパシタ、DC/AC変換器、電圧レギュレータ、発光ダイオード、モーター、ファン、スイッチ、ラジオ、テレビ、携帯電話、またはこれらの組み合わせに供給する、請求項1に記載の触媒加熱装置。
【請求項２４】
前記1つまたは複数の多孔質管は、焼結金属、セラミックマトリックス、繊維マトリックス、キャピラリーチューブ、またはこれらの組み合わせから作られる、請求項1に記載の触媒加熱装置。
【請求項２５】
前記1つまたは複数の管は、焼結金属、セラミックマトリックス、繊維マトリックス、キャピラリーチューブ、またはこれらの組み合わせから作られる、請求項1に記載の触媒加熱装置。
【請求項２６】
前記1つまたは複数のパイプのうちの少なくとも1つのパイプに隣接する予熱手段をさらに備える、請求項1に記載の触媒加熱装置。
【請求項２７】
前記予熱手段は、前記触媒加熱装置からの熱伝導体としてマトリックスケージに近接近する位置にあるか、または取り付けられ、これにより、予熱手段のスイッチを手動でまたは自動的に切ることができ、これにより、前記触媒加熱装置は自燃料を予熱することができる、請求項26に記載の触媒加熱装置。
【請求項２８】
前記予熱手段は、熱出力を制限するために燃料リストリクターを備える、請求項26に記載の触媒加熱装置。
【請求項２９】
前記1つまたは複数の管の前記少なくとも1つの出口開口部は、付随する燃焼を変更するように調節可能である、請求項1に記載の触媒加熱装置。
【請求項３０】
前記1つまたは複数の管の前記少なくとも1つの出口開口部は、焼結金属、セラミックマトリックス、繊維マトリックス、またはこれらの組み合わせの微細孔であり、これらの微細孔より大きい出口開口部をほかに持たない、請求項1に記載の触媒加熱装置。
【請求項３１】
前記1つまたは複数の管の前記少なくとも1つの出口開口部は、少なくとも1つの管内の単一の開口部である、請求項1に記載の触媒加熱装置。
【請求項３２】
前記熱作動弁が開くと、燃料が所定の温度より低い温度で流れ、前記熱作動弁が閉じられると、燃料が所定の温度よりも高い温度で流れるのが停止されるか、または遅くなる、請求項1９に記載の触媒加熱装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
［関連出願の相互参照］
本発明は、2008年12月26日に出願した米国仮特許出願第61/140,902号の優先権を主張するものである。
【０００２】
［連邦政府による資金提供を受けた研究開発の記載］
該当なし。
【０００３】
［共同研究契約の当事者の名前］
該当なし。
【０００４】
［コンパクトディスクで提出された資料の、本願明細書への援用］
該当なし。
【０００５】
本発明は、一般に、加熱システムに関し、より詳細には、多孔質触媒壁(porous catalytic walls)を有するキャビティ(cavity)内での酸化反応を介して発熱および発電を行う触媒加熱システム(catalytic heating systems)に関する。
【背景技術】
【０００６】
液体燃料式加熱システムの初期の発明としては、オイルランプおよび蝋燭がある。それぞれの初期の液体燃料式加熱システムは燃料を芯に浸透させて、燃料が蒸発して燃焼することが可能である領域に燃料を導く。オイルおよび石油ランタンでは、芯を直接使用することができる。アルコールバーナーおよび特に、メタノールバーナーは、燃料を予熱し、気化した燃料を流路に通して燃焼帯に導くのに十分な熱を伝えるために熱導体及びスリーブ管を芯に追加する必要がある。このような熱導体およびスリーブ管がアルコールバーナーの周りにないと、燃料、火炎前面、またはプラズマが、付随する芯を焼いてしまう。
【０００７】
近年、例えば、オイルおよび灯油などの他の炭化水素ではなく、アルコールのクリーンな燃焼を行うことが求められている。このようなアルコールは、「バイオマス」とも呼ばれる廃棄材料から生成することができるか、または「代替エネルギー」源から製造することができる。
【０００８】
アルコールの燃焼は、炭化水素の燃焼に比べていくつかの利点を持つ。例えば、メタノールは、煙、煤、および臭気を出さずに燃焼する。アルコール燃料は、灯油とは対照的に、低い温度で燃焼し、水で消火することができる。メタノールおよび各種アルコールは、適当な触媒上で触媒燃焼を自動的に開始し、実質的に完全な燃焼を行う。その一方で、触媒炭化水素バーナーは、一般的に、触媒に対する予熱ステップを必要とする。炭化水素の代わりにアルコールを燃焼させるいくつかの利点として、低コストで、燃料効果の高い加熱装置が挙げられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】米国特許出願第10/492,018号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
前記の点を考慮すると、本発明のさまざまな例示的な実施形態により、効率的な燃焼加熱装置および暖房用の伝熱装置が実現される。他のさまざまな、類似の用途も、本発明の例示的な実施形態から生じうる。
【００１１】
空気と燃料とを混ぜ合わせ、次いで触媒に到達する代わりに、別の経路からの燃料および空気を燃料内に拡散するメカニズムは、結果として、著しく改善された燃焼状況をもたらす。
【００１２】
キャビティ内で燃焼させるために燃料と空気とを混ぜ合わせる従来のバーナーでは、燃料および空気の燃焼が不安定で、爆発的に生じる可能性がある。典型的には、従来のバーナーのキャビティが大きければ大きいほど、付随する爆発が大きくなる。このため、バーナーの疲労が生じ、例えば、加熱装置の破裂などの悲惨な結果が生じうる。
【００１３】
燃料/空気混合気は時間に関して異なることがあり、火炎の再確定時に火炎前面損失および爆発が生じうることが判明している。これは、2つの反応物流を使用する精油所または触媒反応システムからのテールガス（tail gas）の燃焼において特に問題となる。
【００１４】
このような最悪の事態が発生する可能性を回避するために、本発明のさまざまな例示的な実施形態では、燃料と空気とが多孔質触媒床によって分離される。燃料および空気が多孔質触媒床を通じて相互拡散し、理想的には、空気燃料混合気を充填した著しく非触媒的なキャビティはない。
【００１５】
本発明では、驚いたことに、コストが削減され、多孔質触媒床内にキャビティを有することの運用上の利点が得られること、およびプラズマがそのようなキャビティ内に形成されることが判明している。多孔質触媒床を通じて燃料および空気を相互拡散させることで、触媒床を通る強制流動の状況よりはむしろ、存在するすべての分子について等しい分子に対する触媒上の長い占有時間が実現される。後者の場合、ランダム多孔質触媒床(random porous catalytic bed)を通る「流線流(streamline flow)」または「非拡散的駆動(non-diffusionally driven)」質量流とも称される、層流は、流路内のガス組成を径方向で不均一にし、また流路内の流れが大きいほどスループットを左右し、その中の流量が燃料および空気の一部を触媒作用によって反応させるための十分な拡散を触媒部位にもたらす十分な大きさとなるような不均一な流量分布を形成する。したがって、燃料/空気混合気の一部は、相互作用することなく触媒表面を通り過ぎて、不完全燃焼を引き起こす可能性がある。触媒床内では、相互拡散触媒燃焼(inter-diffusion catalytic combustion)は、内部キャビティ上での最高温度から、外側へと低下する温度勾配を達成することができるが、これは完全燃焼を達成するうえで重要である。本発明では、メタノール燃料に対して酸素が化学量論的に過剰である状態で触媒床の外面が400℃未満から200℃の範囲に保持され、ロックウール/触媒床が均一な触媒活性を有している場合、未燃の燃焼生成物の量は10,000分の1部または我々の測定機器の限界以下に下がりうることが判明した。分離触媒床壁(separating catalytic bed wall)による相互拡散のこのプロセスに依存することによって、加熱装置の新しい発明は、ファンもポンプも必要としない。この新しい発明では、空気の対流および/またはジェットを使用して、分散方式で燃料蒸気もしくは空気を取り入れることができるため、単純で、静かで、堅牢な、クリーン燃焼を行う加熱装置システムが実現する。空気流に面する高温の触媒表面も、完全に酸化することが可能であり、これにより、炭化水素および一酸化炭素などの空気流中のガスを、加熱装置中を流れるときに排除することができる。加熱装置の空気吸入口に結合できる追加のデバイスとしては、エアフィルター、静電気エアフィルター、光触媒エアフィルター、吸収材、吸着材、スクラバー、類似のデバイスまたは排気用には、復水器および/または二酸化炭素トラップが挙げられる。加熱装置を備える香りおよび香水放出器(perfume emitter)を使用することが可能であり、高分子量のいくつかの例は、未酸化のまま加熱装置を通過し、したがって燃料への添加剤として担持されうる。この加熱装置システムは、参照により本明細書に組み込まれている膜触媒加熱装置の係属中の米国特許出願第10/492,018号とともに使用することもできる。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明のさまざまな例示的な実施形態は、1つまたは複数の燃料貯蔵器、1つまたは複数の貯蔵器に接続された1つまたは複数のパイプ、1つまたは複数のパイプに接続され、キャビティ内に導かれる1つまたは複数の多孔質管からの燃料との触媒燃焼を達成するために酸化剤ガスと拡散的に接触する多孔質触媒壁によって囲まれたキャビティからなる触媒加熱装置を備える。酸化は、多孔質触媒壁の外側から拡散する酸化剤分子と触媒壁に向かって拡散するキャビティ内のプラズマとの間の多孔質触媒壁上で発生しうる。プラズマは、1つまたは複数の多孔質管を介して放出される気化燃料から形成され、したがって酸化により熱が発生する。
【００１７】
説明が進むにつれ一段と明らかになる、本発明のさまざまな例示的な実施形態は、付属の図面とともに以下の詳細な説明において説明される。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の例示的な実施形態によるジェットキャビティ加熱装置(jet cavity heater)および燃料供給システムの断面図である。
【図２】本発明の例示的な実施形態による流量調節弁、キャピラリーチューブ網、ヒートパイプ、ガス生成物センサー、およびファンを有するジェットキャビティ加熱装置の断面図である。
【図３】加熱装置システムにヒートパイプまたは流体流システムが施されている、本発明の例示的な実施形態による加熱装置システムの断面図である。
【図４】本発明の例示的な実施形態による触媒床内の触媒反応勾配の断面図である。
【図５】本発明によるヒートフューエルセル(heat fuel cells)の例示的な実施形態の断面図である。
【図６】本発明の例示的な実施形態による照明または器具システムを示す図である。
【図７】本発明の例示的な実施形態による予熱手段を有するジェットキャビティ加熱装置および燃料供給システムの拡大断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
図面を参照すると、類似の参照文字はすべての図面の全体を通して類似の要素を示している。以下は、参照文字および関連する要素の一覧である。
1  触媒床キャビティ
2  触媒床
3  多孔質管
4  圧縮継手
5  沸騰燃料
6  1つまたは複数の小さなキャピラリーチューブ
7  熱差動膨張作動安全弁(thermal differential expansion actuated relief valve)
8  ワックスアクチュエータ
9  バルブシール
10  熱差動膨張作動サーモスタット弁(thermal differential expansion actuated thermostat valve)
11  ワックスアクチュエータおよび弁座
12  燃料パイプ
13  重力供給式タンク
14  燃料レベル作動スイッチ(fuel level activated switch)
15  フロート
16  レール
17  圧力逃し弁ベント
18  吸入管路
19  排出管路
20  熱電堆
21  熱電堆電気コンセント
22  ヒートシンク
23  煙突
24  絶縁層
26  ダイオード
27  電源
28  蠕動ポンプ
29  燃料配管
30  主燃料貯蔵器
31  燃料
32  燃料吸入口および空気抜きキャップ
33  空気流路
34  多孔質管出口
35  電線
36  燃料フィルター
37  ガス入口ノズル  吸気管
38  ワックス膨張要素
39  熱作動弁
40  ガス供給管
41  小口径の燃料供給管
43  空気吸入口
77  電池
87  三方流量弁
88  第1の多流量毛細管流動制限管(multi flow rate capillary flow limiting tube)
89  第2の多流量毛細管流動制限管
90  下側ヒートパイプ
91  第1のサイドヘッドパイプ(side head pipe)
92  第2のサイドヘッドパイプ
94  ファン
95  燃焼電子センサー(combustion electronic sensor)
97  密封されたパイプ
150  地表レベル
151  空気吸入口
152  換気口カバー
153  空気排出口
154  スラブ
155  ヒートパイプ
159  熱交換器壁
169  流体貯蔵器
170  冷却液ポンプ
171  流体流タイプ
203  流体ループ
206  ステンレス製外側ケージ
207  ロックウール床
211  電気的接続部
213  芯
214  凝縮
216  作動流体
219  伝導層  電気的絶縁層
218  電気的絶縁層
220  銅もしくはアルミニウムブロック
223  配管のループ
225  小口径の微細孔
229  ヒートパイプ
230  ステンレス製内側ケージ
251  源貯蔵器
253  空気電極
254  ナフィオン膜
255  燃料電極
256  燃料送出膜(fuel delivery membrane)
261  ステンレス製ケージ  外部ケージ
262  ケージ接触部
264  触媒床の内面
268  凝縮物
269  燃料電極
270  電解質
271  空気電極
272  ヒートパイプ貯蔵器
274  燃料独立ヒートパイプ
275  水素ガス
280  流動抵抗管
284  熱交換貯蔵器
285  弁
289  燃料マニホールド
290  触媒キャビティ
291  ヒートパイプ
300  燃料セル  DC/DC変換器  整流器
301  チェックダイオード
302  キャパシタ
303  電力コントローラ
304  発光ダイオード
305  扇風機
306  テレビ
307  第1のスイッチ
308  第2のスイッチ
309  第3のスイッチ
340  予熱手段
【００２０】
図1は、本発明の例示的な実施形態によるジェットキャビティ加熱装置および燃料供給システムの断面図である。この例示的な実施形態には、主要コンポーネントとして、触媒バーナー、燃料分配システム、流量調節システム、および燃料タンクシステムが含まれる。
【００２１】
例示されている触媒バーナーは、触媒床キャビティ1を囲む触媒床2、および煙突23を有する。燃料分配システムは、多孔質管3、圧縮継手（compression fitting）4、1つまたは複数の小さなキャピラリーチューブ6、およびガス入口ノズル37からなる。流量調節システムは、バルブシール9、ワックスアクチュエータおよび弁座11、ならびに燃料フィルター36からなる。燃料タンクシステムは、燃料パイプ12、重力供給式タンク13、吸入管路18、蠕動ポンプ28、および燃料配管29からなるものとして例示されている。蠕動ポンプ28、熱電堆20、および電源27、好ましくは充電式電池の形態、への1つまたは複数の電線35もありうる。
【００２２】
例示的な一実施形態では、加熱装置は、粉末焼結ステンレス鋼から1つまたは複数の多孔質管3を形成することによって製作される。「多孔質管」という用語が本明細書では使用されているけれども、これらの管は1つの出口開口部を備えるだけでよい。したがって、「発明を実施するための形態」の説明全体を通して簡単のため、「多孔質管」という用語は、「少なくとも1つの出口開口部を有する管」と入れ替え可能であるものとして使用されており、これにより理解しやすくなるはずである。好ましい一実施形態では、これらの多孔質ジェットは約0.5ミクロンの有効平均孔径を有する。この1つまたは複数の多孔質管3を構成するものとしては、ほかに、例えば、セラミックス、金属、ガラス、またはセラミック製のキャピラリーチューブの配列、これらの組み合わせが挙げられる。織った繊維マトリックスも、1つまたは複数の多孔質管に適していると思われる。
【００２３】
1つまたは複数の多孔質管3は、約0.125インチの内径および約0.25インチの外径を有することが好ましい。例示的な一実施形態では、1つまたは複数の多孔質管3は、取り付けられている継手接続部から約5cmの長さのところで切断される。圧縮継手4は、1つまたは複数の多孔質管3に取り付けられている。圧縮継手は、例えば、銅もしくは真鍮からなるものとしてよい。
【００２４】
図1に示されている例示的な例では、2つの多孔質管3がある。多孔質管3および付随する配管は、一般的に、燃料を底部から入れるように配置され、1つまたは複数の多孔質管は、実質的に多孔質管出口34が配置されている場所に上向きに配向される。この例示的な配向は、加熱装置が燃料の気化を開始し、圧縮継手4、小口径の燃料供給管41、および燃料管路12内に燃料31を保持するのに好ましく、そこで、燃料が多孔質管出口34を通って単純に吐出することを実質的に制限する。
【００２５】
好ましい一実施形態における圧縮継手4は、直角の曲がりを有し、次いで約0.25インチの外径を持つ配管が図1に示されているような他の多孔質管とともに実質的にT字形を形成する。圧縮継手4および小口径の燃料供給管41は、1つまたは複数の多孔質管への流量を実質的に制限し、熱差動膨張作動安全弁7、ワックスアクチュエータ、およびバルブシール9に接続される。熱差動膨張作動安全弁は、好ましくは、触媒加熱装置の周囲の枠に取り付けられる。このような取り付けは、触媒加熱装置から熱差動膨張作動安全弁への十分な熱伝達を行い、熱差動膨張作動安全弁を触媒床2の加熱から開かせ、沸騰燃料5内へのその熱伝達を利用して熱差動膨張作動安全弁を開いたままにすることができる。熱差動膨張作動安全弁は、バルブシール9を外すワックスアクチュエータ8を備える約63℃で開き、約46℃で閉じる熱膨張弁であることが好ましい。
【００２６】
始動加熱装置燃料送出システムは、約0.010インチの内径、0.0625インチの外径、および触媒床2の内側底面に当接して配置される1つまたは複数の小さなキャピラリーチューブ6を備えるように形成されうる。このような鋼鉄キャピラリーチューブは、ステンレス鋼から形成されうる。触媒床は、セラミック繊維またはロックウール床の上に分散された白金および他の触媒材料からなるものとすることができる。1質量%の白金でコーティングされた、いくつかのアルミナ球を触媒床全体に分散させて、ホットスポット始動(hot spot starting)を行うことができる。1つまたは複数の小さなキャピラリーチューブ6が、燃料管路12に接続されている。1つまたは複数の小さなキャピラリーチューブ6は、1つまたは複数の小さなキャピラリーチューブを通る層流の抵抗、および、1つまたは複数のキャピラリーチューブ6内に入る燃料31の圧力によって、決定される流量を制限している可能性がある。1つまたは複数の小さなキャピラリーチューブ6、小口径の燃料供給管41、燃料管路12、および排出管路19を通るときの流動抵抗も、重力供給式タンク13からの圧力に応じて加熱装置システムに対し出力上限をもたらす可能性がある。1つまたは複数のキャピラリーチューブ6および/または小口径の燃料供給管41内の温度が、燃料31の沸点を超え、燃料が沸騰した場合、沸騰燃料5がかなり大きな体積と流速を有し、その中で、1つまたは複数のキャピラリーチューブを通過するときの抵抗の効果が変化するため、燃料供給速度は燃料送出速度のおおよそ5%程度にまで急激に低下する。
【００２７】
送出される層流燃料(流体)の流量と特定の管にかかる燃料の圧力(P)、特定の管の半径(r)、特定の管の長さ(l)、特定の燃料の粘度(μ)、および流体の密度(ρ)の間の数学的関係は、以下のとおりである。
燃料送出速度=ρ×π×P×r4/(8×μ×l)
【００２８】
層流の流動抵抗のメカニズムを加熱装置に対する自己温度制御効果として使用し、これにより、1つまたは複数の小さなキャピラリーチューブ6および小口径の燃料供給管41内で燃料が沸騰したときに、燃料流量はおおよそ1/20に低下し、加熱装置は自己制御されることができる。この効果は、約65℃の温度、海面気圧下で液体燃料の体積が約0.79gm/mlから約0.00114gm/mlまで変化するせいで生じる。この結果、体積変化は693倍低いものとなる。燃料の粘度は、65℃で、液体の約0.00403ポアズのμ(液体)からメタノールガスの約0.000135ポアズのμ(ガス)まで変化する。したがって、燃料送出率は、気体流量を液体燃料の燃料送出率で割って1/23.2倍低下すると推定される。燃料送出量の比=気体燃料送出量/液体燃料送出量=ρ(気体)×μ(液体)/(ρ(液体)×μ(気体))=0.04308=1/23.2となる。
【００２９】
1つまたは複数の多孔質管3において、燃料31は、等価な微細孔の数に燃料送出率および1つまたは複数の多孔質管内の燃料の高さによって形成される圧力ヘッドを掛けることで数学的にモデル化されうる流量により1つまたは複数の多孔質管の壁微細孔を通って流れうる。燃料が完全にまたは実質的に気化すると、微細孔を通る燃料流は、劇的に減少し、流れは多孔質管出口34を通る流れによって支配される。
【００３０】
次いで、燃料の一部の流れおよび拡散は、1つまたは複数の多孔質管3の壁微細孔を通って現れるが、本質的に、1つまたは複数の多孔質管を通る流れは、多孔質管出口34から流出するジェットによって支配される。このようなジェットは、必要に応じて絞られるか、または調節可能であるものとしてよい。壁微細孔を通る燃料の流れは、1つまたは複数の多孔質管3の側部上で触媒またはプラズマ燃焼するか、または再形成することができ、そこで、燃料31の気化熱を供給することによって、1つまたは複数の多孔質管の加熱状態を保ち、熱を燃料に伝え、燃料の沸騰および蒸気流を維持する。多孔質管出口は、開いているものとして図には例示されているが、多孔質管は、燃料の流れが多孔質管出口を通るのではなく、壁微細孔を通って逃れなければならないように実質的にカバーまたは栓をすることができる。それに加えて、多孔質管は、実質的に垂直方向にあると例示されているけれども、多孔質管は、加熱装置の基部に対して実質的に水平でもよいし、または実質的に垂直な位置と実質的に水平な位置との間の任意の位置に配置してもよい。その結果、1つまたは複数の多孔質管の側部は、空気(酸素)が化学量論的に過剰にあるときにプラズマで、またはホットプラズマで覆うことができ、多孔質管出口から気化燃料が流出するときに火炎/プラズマを維持することもできる。気化させるための熱を供給し、場合によっては多孔質管出口燃料流を再形成するために燃焼して熱を伝える1つまたは複数の多孔質管の側部を通る壁微細孔の間で1つまたは複数の多孔質管3において動的平衡が達成されうる。
【００３１】
1つまたは複数の多孔質管3の側部を通る燃料流量および燃料拡散は、1つまたは複数の多孔質管3を通る燃料流を気化燃料として保持するように自動的に調節すべきである。燃料が1つまたは複数の多孔質管内で気化していない場合、1つまたは複数の多孔質管3の内面に付着している液体燃料は、1つまたは複数の多孔質管3の側部を通って流れ、拡散し、多孔質管出口が燃料31のさらに多くの部分を気化するまで1つまたは複数の多孔質管の加熱を高め、またはその逆も可能である。燃料が1つまたは複数の多孔質管3に到達したときに燃料が実質的に気化している場合、1つまたは複数の多孔質管の側部を通る燃料の流量は減少し、液体燃料の接触部が1つまたは複数の多孔質管3の基部に戻るまで燃料の加熱と気化が行われる。
【００３２】
類似の動的平衡システムは、燃料が芯に浸透して多孔質管出口34の燃料領域内に導かれる垂直ウィッキング配置構成(vertical wicking arrangement)により実現することができ、1つまたは複数の多孔質管の表面からの燃焼の熱の一部が、燃料の沸騰に伝えられる。燃料が、そのような芯の中で完全に気化した場合、より少ない燃料が1つまたは複数の多孔質管の側部を通って送出され、燃料の送出は、減速する。より多くの液体燃料が芯を通して導かれる場合、1つまたは複数の多孔質管の加熱が増し、燃料の気化が増大する。予熱手段は、例えば、触媒加熱装置または電熱器としてよい。
【００３３】
1つまたは複数の多孔質管3を通る非常に高い流量については、燃料の気化を維持するために、液体燃料を気化するために液体燃料に戻される熱が必要である。本明細書の例示的な実施形態では、1つまたは複数の多孔質管3の側部を通じての予熱は、最大の反応性を得るために、したがって反応性の高い、動的自己燃料気化予熱システムを形成するために閉鎖熱ループ内の液体または蒸気に依存する。図7は、燃料管路12に隣接する位置にある予熱手段340を示している。このような予熱により、定常的な燃料の流れなしで初期量の燃料を加熱することができ、これにより、加熱装置をより効率的に暖機することができ、しかも燃料の損失が少ない。
【００３４】
予熱手段は、液体燃料が通過し、その中で液体燃料が沸騰するものである。予熱手段の例は、単純な金属管から高度なラジエータ様の設計まである。どのように設計されるかの詳細は、所望の予熱手段のワット出力、燃料が熱交換器を通って移動する速度、特定の設計がその熱を燃料に伝える効率、燃料の温度、燃料の沸点などの特性に基づく。予熱手段は、主加熱装置が所望の、もしくは所定の温度に至った後に主加熱装置に燃料予熱を「引き継がせる」ことが可能な一次加熱装置ケージに近接近位置にあるか、または潜在的にそれに取り付けられることも可能である。
【００３５】
予熱手段は、好ましくはその熱出力が制限される。これは、予熱手段への燃料制約を介して、または例えば熱動弁に似た弁を使用するなどのサーモスタットコントローラのいくつかの手段を介して、または例えば、単純なバイメタルサーモスタットから弁を操作する温度入力を持つコンピュータ(マイクロコントローラ)までの各種の電気的手段を介して、またはさらには予熱手段の燃料が沸騰したときに管路内の逆圧によって燃料流量を劇的に減少させる熱交換器が行うのと全く同様の予熱手段を通るか、または予熱手段の近くにある予熱手段に燃料を供給するための管を通じて、行うことができる。
【００３６】
触媒床キャビティ1では、燃料は高温において空気と燃焼し、次いで、隣接する触媒床2内に拡散して、触媒床2内でより低い温度において実質的に完全な燃焼に至るが、これは、触媒床キャビティ1内の燃料拡散が煙突23内の空気からの酸素の拡散と遭遇するからである。
【００３７】
より低い温度の触媒燃焼はより完全であり、高温燃焼において生成されうる一酸化炭素と水素の生成物と比べて二酸化炭素と水の生成物に有利である。触媒床キャビティ1の内側における最高温度からの触媒床2の外面への熱伝達により生じる温度勾配は、燃料と空気の完全燃焼に対する所望の温度勾配を生み出す。本発明の実施形態の測定結果によれば、触媒加熱装置は、燃料としてのメタノールを空気と合わせて燃焼させた場合99.984%を超える燃焼効率が得られた。
【００３８】
この種の燃焼は、さまざまな燃料を安全に燃焼させるために使用できることに留意されたい。一例として、精油所のテールガスなどの不燃性の混合ガスが挙げられる。このような燃料は、液体燃料の代替えとなり、および/または触媒床キャビティに燃料を供給する並列燃料供給配置構成(parallel fueling arrangement)と一緒に、またはその中で混合することができる。例えば、メタノール、ジメチルエーテル、または液体燃料多孔質ジェットは、ワックス膨張要素38および熱作動弁39を開くのに十分に高い温度になった後燃料を予熱ガス流として送出するガス入口ノズル37に隣接する位置において供給燃料とすることができる。
【００３９】
例えば、水素、一酸化炭素、メタン、プロパン、ペンタン、エーテル、エタン、ブタン、エタノール、プロパノール、および他の炭化水素化合物などの触媒燃焼性ガスも使用できる。精油所テールガスで供給できるガスの一例として、いくらかの水素およびメタンおよび一酸化炭素からなるが、ガス単独では火炎を維持できないように十分な量の窒素および不燃性ガスで希釈されたガスが挙げられる。
【００４０】
ガス供給管40内の予熱されたガス流は、煙突23、触媒床2、および排出空気流路33からガス供給管40内への熱伝達で加熱されうるが、これにより、触媒床2では、触媒床2内の燃料の希薄混合気を触媒床2を通じて拡散する酸素で触媒により酸化する。空気流路33および空気吸入口43から分離している、ガス供給管内で燃料が予熱されるという格別な利点があるため、爆発を引き起こして人に怪我を負わせ財産に損害を及ぼすおそれのある、従来のバーナーの場合のような混合された燃料と空気を大量に用意する必要が実質的になくなる。
【００４１】
例示的な一実施形態では、空気は、煙突23から空気吸入口43内に伝達される熱との熱交換を通じて予熱することもできる。燃料および空気を予熱することによって、加熱装置はより効率的なものとなる。さらに、ガス供給管40内の低燃焼性ガスについては、燃料/空気混合気内のエネルギーは燃焼温度および／または触媒燃焼温度までガスを加熱するのには不十分であるため燃焼を維持する必要がある場合がある。
【００４２】
テールガスを使用する例示的な実施形態では、混合気の燃焼性は、化学的濃度および温度が変化するにつれ時間とともに変化しうる。このような変動があるため、燃焼が不安定になり、爆発するおそれがある。本発明の加熱装置の例示的な実施形態の温度自動調節態様では、加熱装置内の運転状態を実質的に維持し、テールガスの燃焼性の変化を本質的に補償する。空気流路33内の比較的酸素リッチである環境により触媒床2のより低温の外面上で触媒酸化が終了することにより、触媒酸化はガス中の一酸化炭素および水素の完全酸化に有利に働くことが実質的に保証される。
【００４３】
触媒加熱装置からの排気は、対流または強制空気流中に拡散し触媒床2を通り過ぎる。触媒床2は、周りの煙突23に放熱する。伝導、対流、および放射熱伝達は、触媒床2から生じる。さらなる熱伝達が、触媒床2への伝導接触または煙突23からの伝導によって発生する可能性がある。ヒートパイプおよび循環流体伝導体を、触媒床2または煙突23に配置することができる。例えば、1つまたは複数の熱電堆20は、煙突23上で熱的接触するように、または触媒床2と放射熱接触するように配置される。熱電堆は、好ましくは、絶縁層を通じて電気的に絶縁されるが、それでも熱的接触は持続する。このような絶縁層は、好ましくは、アルミナからなる。熱電堆の冷接点とも称される、ヒートシンク22は、空気吸入口43内で空気を予熱するように構成することができる。ヒートシンク22は、空気を周囲空気中に対流させることによっても冷却される。加熱装置の低温ヒートシンク22は、床マット、壁、ベッド、自動車、機械類、電子機器、および衣類乾燥棚などの構造物中に組み込むことができる。
【００４４】
小口径の燃料供給管41および1つまたは複数の多孔質管3への燃料送出は、重力供給式タンク13および主燃料貯蔵器30からなされる。主燃料貯蔵器30は、燃料吸入口および空気抜きキャップ32を有するものとしてよい。燃料は、ポンプ28、燃料配管29、および吸入管路18を介して主燃料貯蔵器30から重力供給式タンクへ送られる。重力供給式タンクは、圧力逃し弁ベント17を備えることができる。燃料は、重力燃料タンクから、配管システムおよび排出管路19、燃料フィルター36、熱差動膨張作動サーモスタット弁10、ワックスアクチュエータおよび燃料弁座11、熱差動膨張作動安全弁7、ワックスアクチュエータ8、ならびにバルブシール9を備える一連の流量調節コンポーネントを通過する。
【００４５】
主燃料貯蔵器30は、例えば、熱せられる建物の外側に配置できる50ガロンのタンクなどの燃料タンクとすることができる。このようなタンクは、埋設し、カバーするなど、景観上の希望に合わせて対処することができる。燃料吸入口および空気抜きキャップ32は、主燃料貯蔵器内の陰圧または陽圧の過剰な上昇を実質的に防止するものである。
【００４６】
ポンプ28は、例えば、蠕動ポンプまたは圧電ポンプ、隔膜ポンプの形態のものとしてよい。電線35を通してポンプに電力が供給される。
【００４７】
例示的な実施形態の重力供給式タンク13は、加熱装置に安定した重力圧力ヘッド供給を行えるように約300mlの燃料容量を有するものとしてよい。本明細書では重力供給式タンクとして説明されているけれども、燃料は圧力および/またはポンプ動作によって本発明のシステムを通って流れることができる。重力供給式タンク13内には、フロート15およびレール16上に配置された燃料レベル作動スイッチ14があるものとしてよい。この燃料レベル作動スイッチは、燃料レベルが低くなったと判定されたときに主燃料貯蔵器31内の燃料ポンプ28をオンにし、燃料レベルが所望のレベルにあるか、または高すぎると判定されたときにオフにする。重力供給式タンク13は、圧力逃し弁ベント17を有しており、重力供給式タンク内の圧力を実質的に調節し、陽圧または陰圧の上昇を回避し、これにより、このタンクで正確な重力ヘッド圧力を加熱装置に伝えることができる。圧力逃し弁ベント17は、重力供給式タンク13へのアクセスキャップ内に組み込むことが可能である。
【００４８】
始動運転モードでは、重力供給式タンク13に燃料を充填することによって加熱装置システムを始動することができる。これは、加熱装置に燃料を供給し、熱電堆20からダイオード26を通して熱電堆電気コンセント21に送られる十分な電力を発生して、主燃料貯蔵器30内のポンプ28を稼働させるか、またはその後主燃料貯蔵器30内のポンプを稼働することができる1つまたは複数の電池の形態の電源27を充電することができる。
【００４９】
燃料フィルター36は、例えば、ステンレス鋼製ホルダーを備える排出管路19内に配置された平均10ミクロンの細孔を持つ多孔質ステンレス鋼製フリットとすることができる。
【００５０】
熱差動膨張作動サーモスタット弁10ならびにワックスアクチュエータおよび弁座11が開いて、これにより燃料を所定の温度より低い温度で流し、次いで、閉じて、燃料が所定の温度よりも高い温度で流れるのを停止するか、または遅くすることができる。一変更形態において、熱差動膨張作動サーモスタット弁10ならびにワックスアクチュエータおよび弁座11のうちの1つのみが開き、これにより、燃料の流れを停止するか、または遅くする。熱差動膨張作動サーモスタット弁10に対してワックスアクチュエータおよび弁座11の力をネジ式ダイヤルで調整して所定の温度を設定することができる。電気的作動弁または電動ポンプなどの他の種類のサーモスタット弁も、熱差動膨張作動サーモスタット弁の代わりに使用することが可能である。
【００５１】
加熱装置システムは、一酸化炭素または酸素含有量センサーなどのセンサー、ファン、およびライト、ならびに同様のものも備えることができる。
【００５２】
動作中、煙突23に隣接する熱電堆の側部が加熱され、次いで、その熱が熱電堆22の他方の側に伝達され、空気が空気吸入口に流れ込むことによって冷却されるヒートシンク22内に伝達される。熱電堆が発生する電流は、熱電堆電気コンセント21を通過し、ダイオード26を通り、電池、つまり電源27を充電する。ダイオード26は、電池が一方向の電流で確実に充電されるようにするために必要であり、また加熱装置がオフになったときに熱電堆20を通して電池が逆方向に放電しえないようにする。電気エネルギーを蓄積するため電池の代わりにスーパーキャパシタを使用することが可能であることに留意されたい。電池は、例えば、ニッケル水素電池、鉛酸蓄電池、リチウムポリマー電池、またはリチウムイオン電池の形態のものとすることができる。電池に蓄積された電気エネルギーは、燃料レベルが低い場合に燃料レベル作動スイッチ14が閉じると流れる。電流は、ポンプ28内を流れ、さらに燃料31がポンプで重力供給式タンク13内に送り込まれる。重力供給式タンク内の燃料が所定のレベルに達すると、燃料レベル作動スイッチが開き、ポンプ28への電流が停止される。いくつかの状況において、ポンプ28がポンプ動作を停止したときにサイホン効果で燃料管路29を通って主燃料貯蔵器30内に逆流しないように吸入管路18内に逆止弁を設けると有益であると思われる。
【００５３】
加熱装置が燃料を定常的に流すことなくより効率的に所望の温度に達することができるように予熱される初期の一定量の燃料を送るために、手動および/または自動ポンプを使用して燃料をくみ上げることもできる。
【００５４】
図2には、それぞれ三方流量弁87、下側ヒートパイプ90、第1および第2のサイドヘッドパイプ91および92をそれぞれ、熱電堆と煙突23、ファン94、空気流および燃焼電子センサー95の間の電気的絶縁層上に有する第1および第2の多流量毛細管流動制限管88および89の追加実施形態を備える加熱装置システムが示されている。
【００５５】
この例示的な実施形態では、弁およびキャピラリーチューブを通じての流量調節を使用することで、第1および第2の多流量毛細管流動制限管88および89を通る異なる流量によって加熱装置の出力を設定することができる。第1および第2の多流量毛細管流動制限管は、加熱装置が高温になりすぎた場合に、例えば、空気流が煙突内で遮られたときなどに、第1および第2の多流量毛細管流動制限管内の燃料が沸騰し、加熱装置への燃料送出を制限するように触媒加熱装置と熱的に接触する安全機能として配置することもできる。このような例示的な実施形態では、下側ヒートパイプ90、第1および第2のサイドヘッドパイプ91および92、ならびにフィン付きヒートシンクの形態であってもよいヒートシンク22とともに熱電堆と煙突70との間の電気的絶縁層が使用される。熱電堆の出力は、空気流ファン94、ポンプ28を稼働させ、電池77を充電するために使用される。第1および第2の多流量毛細管流動制限管は、煙突23の表面上に、またはヒートシンク22の表面上に配置することができる。
【００５６】
図2に示されている例示的な実施形態では、さらに多くの多孔質管3が、有効平均孔径0.5ミクロンの粉末焼結ステンレス鋼で形成される。多孔質管は、好ましくは、0.125インチの内径および0.25インチの外径を有し、好ましくは真鍮からなる圧縮継手から長さ5センチメートルのところで切断される。圧縮継手は、好ましくは直角の曲がりおよび、次いで0.25インチの外径を持つ配管を有し、図2に示されているようなもう1つの多孔質管とともにT字形を形成する。小口径の燃料供給管41は、1/8インチの配管からの1/4口径の銅管として蝋付けすることができる。小口径の燃料供給管のキャピラリーチューブは、ジェットへの流量を制限し、触媒加熱装置の触媒床2または煙突23の周囲の枠上に取り付けられているバルブシール9に接続される。触媒床2または煙突23へのこのような取り付けならびに多孔質管および小口径の燃料供給管路の熱伝導性は、加熱装置から熱差動膨張作動安全弁7への十分な熱伝達をもたらし、このような弁を触媒床の加熱から開かせ、沸騰燃料内への熱伝達を利用して熱差動膨張作動安全弁を開いたままにすることができる。
【００５７】
触媒加熱装置からの排気は、対流または強制空気流中に拡散し触媒床2を通り過ぎる。触媒床2は、周りの煙突23に放熱する。伝導、対流、および放射熱伝達は、触媒床2から生じる。さらなる熱伝達が、触媒床2への伝導接触または煙突23からの伝導によって発生する可能性がある。例示的な一実施形態では、熱は煙突23の壁に伝えられ、熱は熱電堆内を進行する。次いで、ヒートシンク22を通じて熱を周囲空気または床マット、衣服、家具、ダクト、機械類、自動車、鏡、窓、電子機器、または建物の壁などの表面に放散する下側ヒートパイプ90ならびに第1および第2のサイドヘッドパイプ91および92を通して熱電堆の吸熱が行われる。
【００５８】
下側ヒートパイプ90ならびに第1および第2のサイドヘッドパイプ91および92は、密封されたパイプ97内の作動流体を含み、密封されたパイプ97は柔軟な壁を持つヒートパイプの形態をとることができ、この密封されたパイプ97の内側に芯材料が設けられている。重力による還流を利用して、凝縮した作動流体を芯材料に戻す。不純物がヒートパイプの作動流体に加えられるか、または密封されたパイプ97の圧縮が使用される場合、作動流体の沸点を設定することが可能であり、密封されたパイプは、熱を除去し、設定された温度で熱を伝えることが可能である。
【００５９】
三方流量弁87は、図2に例示されている実施形態において燃料フィルター36の後に配置される。三方流量弁87の典型的な位置は、オフ、および異なる流量キャピラリーチューブへの2つの流路である。
【００６０】
本発明の例示的な実施形態に対する電気系統は、熱電堆発電機、ダイオード、1つまたは複数の電池、燃料レベルスイッチ、燃料ポンプ、空気流ファン、および排気流路内の燃焼センサーを備えることができる。燃焼センサーは、例えば、一酸化炭素などのガス、未燃焼燃料、熱、または酸素含有量を検出することができる。システムの酸素含有量が低すぎる場合、または一酸化炭素もしくは未燃焼燃料が高すぎる場合、燃焼センサーは、燃料ポンプに送られる電力を切り、また加熱装置システムを停止することができる。他の可能な配置構成では、燃料弁を遮断し、アラートを鳴らし、光または視覚的表示により障害状態をユーザーに示す。燃焼センサーは、熱を検出して、燃料送出弁を制御し、部屋、衣服、機械類への温度または熱伝達を調節することによって加熱装置の電力を調節することも可能である。空気流ファンは、空気を加熱装置システムに通して煙突23内を通る空気流を増やし、触媒床への酸素送出量を増やし、その中で、周囲への熱伝達を高める。
【００６１】
加熱装置は、ベントでキャップされているポートを通して重力供給式タンク13内に燃料を注ぎ込むことによって始動することが可能である。燃料は、重力を利用して、フィルターに通され、それから三方流量弁87および、第1および第2の多流量毛細管流動制限管88および89に通され、供給される。燃料は、1つまたは複数の小さなキャピラリーチューブ6に流れ込む。燃料は、芯を通して触媒床内に導かれ、そこで気化し、拡散し、外気から酸素が入り込んで拡散することにより触媒床内で触媒燃焼する。触媒燃焼からの熱は、多孔質管、封管、1つまたは複数の小さなキャピラリーチューブ、多孔質管、および熱差動膨張作動安全弁の温度を高める。温度が熱差動膨張作動安全弁を開く温度に達すると、そのような弁が開いて、より大きな流量の燃料が多孔質管に入る。燃料の一部が多孔質管内で気化し、燃料の一部が多孔質管の側部を通して拡散する。加熱装置それ自体が熱差動膨張作動サーモスタット弁を通じて自己温度調節するまで、燃料のより多くの拡散が触媒床内で酸素拡散と遭遇すると触媒床内で触媒燃焼が高まる。加熱装置の定常状態運転が達成されたとき、温度は触媒床の内側において最高温度となり、放射、伝導、および対流による外部からの熱の除去により触媒床の外側において温度が低くなる。外側の温度を最低にすることによって、触媒床の最低平衡温度が完全燃焼に有利に作用し、これにより、触媒床の外側での一酸化炭素の形成が最小限に抑えられる。
【００６２】
プラズマも、触媒床の触媒床キャビティ内で形成されうる。このプラズマも、多孔質管および接続された燃料管路を加熱し、気化した燃料を動的平衡に保ち、触媒床内の触媒床キャビティへの気化燃料の一定したジェットを維持することができる。このような動的平衡は、燃料を気化し、多孔質管の側部を通して燃料を供給し多孔質管の側部を加熱するための多孔質管の加熱の平衡である。多孔質管が高温である場合、燃料は気化し、多孔質管の側部を通して送出される燃料は少なくなり、これにより多孔質管の加熱が低減される。多孔質管が低温である場合、多孔質管の側部を通して送出される燃料が増大し、多孔質管の側部を通した燃料送出量は増える。
【００６３】
動作時に、加熱装置は熱電堆間に高い温度差を発生し、これにより電池を充電し、主燃料貯蔵器内の燃料ポンプを稼働し、センサーシステムを動作させ、空気流ファンを動作させるための電流を出力する。機械類、燃料セル、ベッド、衣服、床、建物の壁を加熱するなどの仕事を行うために、例えば、下側ヒートパイプ90ならびに第1および第2のサイドヘッドパイプ91および92を備えるヒートパイプシステムを加熱装置から離して延在させることができる。
【００６４】
図3は、ヒートパイプまたは流体流システムに熱的に接続された触媒床を有する例示的な一実施形態を示している。この特定の実施形態では、加熱装置は意図された凝縮領域または熱送出領域の高さより下にあり、これにより、対流と凝縮とによって流体と空気流を触媒加熱装置およびパイプに循環させることができる。
【００６５】
図3には、地表レベル150が示されており、空気吸入口151が地表から現れている。雨、雪、ゴミ、および同様のものが加熱装置システム内に落ち込むのを防止するために、換気口カバーまたはルーフ152が使用される。換気口カバーは、排出口の排気が空気吸入口の空気流と混合するのを防止するためのダイバータとして動作し機能しうる。
【００６６】
空気が換気口に入り、加熱装置システム内に流れ込む。空気が流れると、これは空気吸気口と空気排出口153とを隔てる熱交換器壁159を通して加熱される。排気から吸気へのこの熱交換では排気から熱を回収することによって加熱装置の効率を高めることができる。しかし、凝縮プルームを低減し、滑走路が不明瞭になるのを回避するために、滑走路加熱用途において重要である排気中の水分の凝縮が発生しうる。熱交換器壁に付いている復水を集めて、システムから取り除くことができる。空気が触媒加熱装置床に達すると、これは触媒床と触媒床キャビティとに拡散する。プラズマ燃焼が触媒床キャビティ内において発生し、次いで、触媒燃焼が触媒床内において比較的低い温度で発生しうる。触媒床の外側は、空気吸入口およびヒートパイプまたは流体流パイプ171と伝導、放射、および対流による熱的接触をする。このため、触媒床の内側から外側への温度勾配があることが確実にされる。触媒床におけるこのような温度勾配、反応物の拡散、および触媒床の外面上の過剰な酸素供給は、加熱装置が実質的に完全な燃焼を達成することを確実にする。
【００６７】
加熱装置を過剰な燃料または同様に不十分な空気流とともに動作させた場合、加熱装置は排気中に不燃燃料を生成することになり、これは、図2に示されている排出灰中において触媒センサーで検出することができ、次いで、燃料ポンプを絞るか、または停止することができる。流体流管による伝導、対流、および放射による熱伝達を通じて、流体が沸騰するか、または加熱装置によって流される。流体の沸騰が発生しない場合、ポンプ28を使用して流体を循環させることができる。流体貯蔵器169は、システムがシステムのパイプ内にすべての流体を保持することを可能にするために使用され、これにより流体の循環を停止することができる。したがって、流体貯蔵器169およびポンプ28は、ヒートパイプ155のオン/オフメカニズムとして動作することができる。流体貯蔵器169は、パイプを修理する際にパイプを空にできるということを単純に目的として使用することもできる。
【００６８】
パイプが滑走路、道路敷、または建物のコンクリートスラブ内に埋め込まれている稼働状況において、漏れが発生する可能性があることが予想される。ヒートパイプ動作は、空気がパイプに入るのを許すことによる漏れによって阻害されるが、システムは、それでも、冷却液ポンプ170を使用して液体もしくは液体とガス蒸気との混合物を循環させることによって動作させることが可能である。流体貯蔵器169は、穏当な漏出率を許容し、流体循環システムの補充を実用的な範囲で行える十分なサイズとすることが可能である。配管内の作動流体は望ましくは、熱容量の高い、安価な不活性流体であり、凍結せず、加熱装置が滑走路、ランディングパッド、車道、歩道、運動場、温室、建物床、船のデッキ、自動車、機械類、または構造物の表面に十分な熱を伝える必要がある温度で沸騰する。このような流体の例としては、例えば、クロロフルオロカーボン流体、アンモニア、水、メタノール、エタノール、二酸化炭素が挙げられる。
【００６９】
コンクリートスラブ154などの特定の用途では、地表の熱貯蔵器より高い温度を必要とする場合があり、したがって、加熱装置は、オンにされて、作動流体温度を加熱装置より高い温度にし、スラブ154内に流入する熱流量をより高くする。熱貯蔵器は、地表150、作動流体の集まり、または水の集まりとすることが可能であり、これは太陽エネルギー、地熱エネルギー、またはヒートパイプシステムからの廃熱、または火力発電所から放出される廃熱を熱源として使用して加熱される。流体の熱貯蔵器169は、熱源から循環流体充填パイプを通して熱源と熱的に接触することが可能であり、これを使用して熱エネルギーを作動流体の流体貯蔵器169および地表150に蓄積することが可能である。
【００７０】
図4に、ヒートパイプおよび流体流熱伝達システムに結合された加熱装置システムの例示的な一実施形態が示されている。加熱装置システムは、触媒床2の触媒床キャビティによって実質的に囲まれている多孔質管で作製される。触媒床は、定常燃料流なしで初期量の燃料を加熱するための予熱手段として使用することができる。触媒床キャビティは、好ましくは、ステンレス製内側ケージ230と触媒的にコーティングされた多孔質のロックウール床207および触媒的にコーティングされた多孔質のロックウール床207に埋め込まれているステンレス製外側ケージ206とを有する。全体を通して使用されているような「ケージ」という用語は、開いているか、穿孔されているか、ベントが設けられているか、または同様の処理が施されている少なくとも一部分を有する取り囲み手段を伝えることが意図されている。多孔質管は、小口径の微細孔225をジェットノズルの側部に有し、これにより、管の側部を通る低速の燃料送出でノズルの加熱を維持し、液体燃料の沸騰を維持し、多孔質管の出口の端部から噴流させることができる。安定した噴流速度を達成するための燃料の中程度の加熱速度が、多孔質管の出口の小口径の微細孔225を通る際の液体燃料供給速度差と気体燃料供給速度差(liquid and gaseous fueling rate differences)との間の動的平衡によって維持される。
【００７１】
この実施形態における空気流は、触媒床を囲む煙突内で触媒加熱装置床を通り過ぎる形で流れている。触媒床2からの熱は、1つまたは複数のヒートパイプまたは流体ポンプ付きまたは弁循環システム(fluid pumped or valve circulated system)を通じて加熱装置および煙突の外の空気または流体に伝えられうる。ポンプ付きまたは弁付き流体循環システム(pumped or valved fluid circulation system)は、液体、沸騰している液体、およびガスを循環させることが可能である。図示されている受動的ヒートパイプシステムは、銅もしくはアルミニウムブロック220を通じてステンレス製内側ケージ230と熱的に接触し、また触媒床の内側の触媒床キャビティ1からの放射伝熱により熱的に接触する。このような配置構成において、触媒床キャビティと熱的な接触が行われ、熱電堆間に可能な最高の温度差をもたらす。この触媒床の拡散の特性により、触媒床の表面上に拡散する酸素が加熱され、その一方で、触媒床の内側から排出生成物として拡散する酸素は冷却され、反応物の相互拡散が燃焼および/または触媒燃焼を達成するように条件を満たす場合に加熱装置の温度がより高くなる。燃料送出をサーモスタットで制御することによって、触媒床内の最高温度帯および触媒床キャビティ内のプラズマは、最高の効率が得られるようにステンレス製ケージが熱を集めて銅ブロック220および熱電堆に伝えることができる場所の近くに配置されうる。
【００７２】
定常状態運転では、燃焼帯は触媒床内で静止するものとしてよく、触媒床を通じた伝導および放射による熱損失は、ステンレス製ケージ230を通じて伝えられる熱に比べて小さくなるように抑えることができる。これは、金属表面上を流れている高温ガスによって熱が除去され、その後のより低い温度の熱がこの流れにそってさらに除去される流動燃焼システムとは対照的である。流動燃焼システムでは、効率的な熱伝達は、排気と吸気との間にある熱交換器により空気を予熱することによって達成される。したがって、触媒加熱装置は、吸気および排気の空気流用の熱交換器およびポンプを使用せずにステンレス製ケージを通じて高グレードの熱を効率よく伝える能力を有する。これは、すでに述べたように、低エネルギー価の燃料の触媒燃焼、小さなサイズ、または精油所から出るテールガスなどの不燃性燃料/ガス混合気の状況に特に有用であると思われる。銅またはアルミニウムブロック220は、アルミナの電気的絶縁性を有する熱的伝導層219との熱的接触部に実質的に隣接して、または銅上の炭化ケイ素などのコーティングまたは銅もしくはアルミニウムブロック220上の陽極酸化コーティングのところに配置される。電気的絶縁層219は、熱電堆と熱的に接触する。熱電堆は、熱源とヒートシンクとの間にテルル化ビスマス半導体(交互ドーピング)と金属導電体の接合部を有し、熱源とヒートシンクとの間の温度差から電圧と電流を発生する。熱電堆上の電気的接続部211は、電力を、ライト、ファン、ラジオ、携帯電話、テレビなどの外部応用製品に供給する。ヒートパイプ229は、例えば、アルミナシートなどの電気的絶縁層219を通じて熱電堆に熱的に接続され、これにより、作動流体を沸騰させることによって熱を除去し、凝縮によりフィン付き対流および放射ヒートシンク22に熱を伝達する。ヒートシンクは、周囲の対流空気流または熱湯タンクなどの中の水の集まりとして熱を流体中に放散する。このヒートパイプ229を構造物または機械の中に埋め込んで、その構造物または機械の中の温度を維持することができる。ヒートパイプ内には、水、メタノール、アンモニア、またはフレオンなどの液体の作動流体を凝縮冷却器領域から高温の沸騰表面へ引き戻す芯材料がある。
【００７３】
図4には、液滴として凝縮する作動流体216の凝縮が示されており、重力により、より大きな液滴が凝縮表面を流れ落ちて作動流体216の貯蔵器に戻る。次いで、作動流体の貯蔵器は、沸騰表面と接触し、芯213も、液体の流体を沸騰表面に接触させるために使用される。熱電堆から流れる熱は、液体の作動流体を沸騰させ、次いで、ガスとして凝縮表面214に移動して、作動流体がガスから液体に凝縮するときに熱をヒートシンク22に伝える。加熱装置の反対側では、より低い温度の熱除去システムがステンレス製ケージの外側に熱的に結合されている。銅またはステンレス製の配管のループ223を触媒床を囲むステンレス製ケージ206に鑞付けすることができる。メタノール、メタノールと水、エチレングリコールと水、水、アンモニア、水素、またはフレオンの作動流体を触媒床のステンレス製ケージ上の配管の周りにポンプでくみ上げることができる。作動流体が沸騰すると、これは流体の沸点において熱を除去することができる。流体が沸騰しない場合、これは、作動流体の温度が上昇し、熱が流体に加えられると、加熱装置の表面上の一定範囲の温度の熱を除去することができる。ポンプ28は、作動流体が循環する速度を変更するために使用されうる。これは、次いで、異なる温度で熱を伝えることができる。ポンプ28が停止されるか、または遅くなった場合、流れは遅くなるか、または阻止され、熱伝達が遅くなるか、停止する。
【００７４】
触媒床から来る流体ループ203は、作動流体ガスを凝縮するか、または作動流体の温度を下げ、その後、熱をヒートシンク22に伝える煙突23の外側のフィン付きまたはフィンなしのヒートシンク22を通過する。ヒートシンクは、空気または水などの流体に熱を伝導により伝え、対流によって伝え、放射によって伝える。ヒートシンクは、床、道路、滑走路、ランディングパッド、歩道、運動場、温室、壁、家具、空気流ダクト、衣服、鏡、窓、電池、電子機器、機械類、または自動車に埋め込むことが可能である。
【００７５】
図5では、ジェット加熱装置が、燃料セルを加熱するように構成されている。この例示的な実施形態では、燃料セルは、燃料セルを通る液体の自由な流れを本質的に阻止し、燃料セルの燃料電極の表面上で燃料を制御した速度で送出する燃料送出膜256、例えばシリコーンゴムなどの多孔質もしくは選択的浸透性を有する膜を通して燃料を供給される。燃料セルは、燃料送出膜256、活性炭顆粒上の白金およびルテニウム触媒ならびにナフィオン膜254などの電解質の形態の燃料電極255、活性炭顆粒上の白金触媒などの空気電極253を含む。この例で使用されている拡散供給メタノール燃料セルは、65℃で、次いで20℃で、10から30倍以上高い性能を有する。生成物の水を蒸発させ、生成物の水が燃料セルの空気電極253を水浸しにするのを回避するのに十分な速度で燃料セルの空気電極253を残すように、運転中に燃料セルの高い温度を維持することも重要である。
【００７６】
アルカリ性電解質燃料セルの場合、電解質中に炭酸塩が形成するのを防止するために燃料セルの温度を高くすることができる。固体酸化物および炭酸塩電解質燃料セルでは、使用可能なように電解質の伝導性を十分に高く保つ必要がある。この実施形態の燃料の沸点が使用され、燃料の圧力も設定できるため、燃料セルに送られる燃料の凝縮点および温度が設定される。より高い沸点を持つメタノールと水またはエタノールなどの他の燃料が使用されうるが、凝縮点および熱伝達は、この効果により設定されうる。燃料セルの温度が凝縮温度を超える場合、燃料はもはや膜上で凝縮せず、液体燃料は貯蔵器内で沸騰し、弁285を介して強制的に源貯蔵器251に戻されうる。このときに、燃料供給速度が低下するが、燃料を多孔質管に送出しないことによって触媒床も減速する。燃料セルは、燃料送出膜256を通過する燃料蒸気に対して作用する。これは、燃料セルの出力を下げ、加熱装置からの熱を劇的に減少させることができ、燃料セルへの温度自動調節加熱装置のような働きをする。したがって、燃料セル上の温度が過剰に高くなるのを回避し、燃料セル内の最適な温度を維持するようにすべきである。燃料は、多孔質管3を通して触媒床に送出され、最初は液体燃料を多孔質管出口に送出するキャピラリーチューブ6を通る。キャピラリーチューブ6は、加熱装置への燃料の送出速度を画定する。キャピラリーチューブ6内の温度が燃料の沸点に到達すると、燃料送出速度は、液体の代わりにガスがキャピラリーチューブ6を通過するときに劇的に減少する。燃料が沸騰し、貯蔵器内で圧縮されると、燃料が源貯蔵器251内に押し戻されるにつれ燃料レベルは低下し、熱交換貯蔵器内の燃料レベルはキャピラリーチューブ6より下に下がり、少なくとも2つの管281に進む。流動抵抗管280は、熱交換貯蔵器284への燃料蒸気ベントとして働く。これにより、熱交換貯蔵器284は、この流動抵抗管280を通って大気中へ、ジェットキャビティ加熱装置を通して排気し、過剰な圧力を回避することができる。
【００７７】
熱交換器内の蒸発および凝縮は、ループから大気が除去される作動流体と熱交換貯蔵器に依存する。したがって、キャピラリーチューブ280を通るベントは、パージ経路として必要である。燃料蒸気およびパージされる空気は、多孔質管を通って流れ、触媒床キャビティおよび触媒床内で燃焼する。蒸気経路と液体経路の管の口径と長さは、異なる温度での2つの異なる燃料供給経路に対する流量の対比から加熱装置の低温燃料供給率と高温アイドル率との間で出力率を設定するように選択できる。液体としてジェットに到達した部分として多孔質管に流れる燃料は優先的に多孔質管出口の多孔質側を通って移動する。多孔質管および吸入管路の壁の高温および触媒特性は、メタノールなどの燃料がノズルを通ってキャビティ内に流れ込むとともに水素リッチガス(またはプラズマ)に分解する十分に高いものである。燃料がこのように分解することで、キャビティ壁における燃料と酸素の完全燃焼および触媒反応がさらに高まる。蒸気としてジェットに到達した部分として多孔質管に流れる燃料はより優先的に多孔質管出口を通ってキャビティ内に入る。触媒燃焼の完了は、燃料が煙突内の周囲空気流からの酸素の相互拡散で内面264内に拡散するにつれ酸素触媒燃焼が低い触媒床においてなされ、外気から酸素リッチ環境内の触媒床の外面に向かう触媒燃焼とともに完了する。この状況における温度勾配は、触媒床キャビティまたは触媒床の内面264の最高値から触媒床の周囲に向かう勾配であり、そのときに、ステンレス製ケージ261と冷却が、放射冷却および煙突を上る空気流による対流冷却とともに熱を除去する。
【００７８】
燃料セルに結合されている加熱装置システムの他の例では、燃料に関係しないヒートパイプ274をジェットキャビティ加熱装置の外部ケージ261に熱的に接続する。この実施形態では、ヒートパイプは、例えば、フレオン、水、アンモニア、エタノール、プロパン、ブタン、ペンタン、およびメタノールなどの作動流体を入れたヒートパイプ291とすることも可能である。
【００７９】
ヒートパイプ291内では、織メッシュまたはファイバーグラスクロスなどの芯材料がヒートパイプ291の加熱装置内面に当たるまで詰められている。これは、芯を通してヒートパイプ291の内面まで液体の作動流体を導く働きをする。作動流体は沸騰し、蒸気としてヒートパイプ内を通り、次いで、燃料セル289と熱的に接触しているヒートパイプの内面で凝縮する。これにより、熱が燃料セルに伝えられる。この説明で示されているように、ヒートパイプ291はヒートパイプ291の燃料マニホールド289と熱的に接触している。次いで、凝縮物268の液体作動流体が、内側凝縮表面を流れ下り(例えば、重力に引かれて)、これにより液体作動流体はヒートパイプ貯蔵器272に戻る。芯材料は、凝縮表面268まで延在することが可能であり、燃料セル289がジェットキャビティ触媒加熱装置のケージ接触部262の垂直高さよりも下になったときなどに、重力に抗して芯を通して液体作動流体を導くことができる。一例として、燃料セル289は水素を燃料とする燃料セルとすることが可能であり、マニホールド289は水素ガス275を充填され、熱伝導性を持たせる繊維マトリックスまたはチャネル289を詰められている。これらの燃料セル289は、燃料電極269および/または水素ガスの流路と接触する導電体とすることも可能である。水素燃料セルについては、吸気管37として図1に示されているように、水素ガスを安全に燃焼させるために燃料セルからの窒素で希釈したベントガスを触媒キャビティ290内で終わらせることができることに留意されたい。水素燃料セルは、燃料マニホールド289、ガス吸入管路18、白金コーティング活性炭顆粒燃料電極269、ナフィオンなどの水素イオン伝導性電解質または水酸化カリウム含浸アスベストマットなどのアニオン伝導性電解質などの電解質270、白金コーティング活性炭顆粒空気電極271を含むことができる。
【００８０】
図6には、電気出力およびインターフェイスシステムが示されている。熱電堆、熱電気エネルギー変換器、および/または燃料セル300は、DC電流を流して電池またはキャパシタ302を充電する。直流出力は、電池またはキャパシタ302上の所望の充電電圧と一致するようにDC/DC変換器300などのデバイスを通じて加減されるか、または変換されうる。特に、熱電堆および燃料セルの大電流低電圧は、スイッチトDC電流、昇圧器、および整流器300を通じて高電圧低電流に変換することができる。チェックダイオード301は、電池またはキャパシタ302から熱電堆または燃料電池300内に電流が逆流するのを防止するために回路内に配置されている。適切な電力を、例えば、発光ダイオード304、蛍光灯、ファン、ラジオ306、テレビ、携帯電話、検出器、電話機、および同様のものなどの器具に供給するために、電力コントローラ303が電池302に電気的に接続される。第1のスイッチ307、第2のスイッチ308、および第3のスイッチ309は、さまざまな器具を制御するために使用される。
【００８１】
本発明は、上で概略を述べた特定の実施形態とともに説明されているが、多くの代替的形態、修正形態、および変更形態が、当業者には明らかであることは明白である。したがって、上で述べたような本発明の好ましい実施形態は、限定することではなく、例示することを意図されている。本発明の精神および範囲から逸脱することなく、さまざまな変形を行うことができる。
【符号の説明】
【００８２】
1  触媒床キャビティ
2  触媒床
3  多孔質管
4  圧縮継手
5  沸騰燃料
6  1つまたは複数の小さなキャピラリーチューブ
7  熱差動膨張作動安全弁(thermal differential expansion actuated relief valve)
8  ワックスアクチュエータ
9  バルブシール
10  熱差動膨張作動サーモスタット弁(thermal differential expansion actuated thermostat valve)
11  ワックスアクチュエータおよび弁座
12  燃料パイプ
13  重力供給式タンク
14  燃料レベル作動スイッチ(fuel level activated switch)
15  フロート
16  レール
17  圧力逃し弁ベント
18  吸入管路
19  排出管路
20  熱電堆
21  熱電堆電気コンセント
22  ヒートシンク
23  煙突
24  絶縁層
26  ダイオード
27  電源
28  蠕動ポンプ
29  燃料配管
30  主燃料貯蔵器
31  燃料
32  燃料吸入口および空気抜きキャップ
33  空気流路
34  多孔質管出口
35  電線
36  燃料フィルター
37  ガス入口ノズル  吸気管
38  ワックス膨張要素
39  熱作動弁
40  ガス供給管
41  小口径の燃料供給管
43  空気吸入口
77  電池
87  三方流量弁
88  第1の多流量毛細管流動制限管(multi flow rate capillary flow limiting tube)
89  第2の多流量毛細管流動制限管
90  下側ヒートパイプ
91  第1のサイドヘッドパイプ(side head pipe)
92  第2のサイドヘッドパイプ
94  ファン
95  燃焼電子センサー(combustion electronic sensor)
97  密封されたパイプ
150  地表レベル
151  空気吸入口
152  換気口カバー
153  空気排出口
154  スラブ
155  ヒートパイプ
159  熱交換器壁
169  流体貯蔵器
170  冷却液ポンプ
171  流体流タイプ
203  流体ループ
206  ステンレス製外側ケージ
207  ロックウール床
211  電気的接続部
213  芯
214  凝縮
216  作動流体
219  伝導層  電気的絶縁層
218  電気的絶縁層
220  銅もしくはアルミニウムブロック
223  配管のループ
225  小口径の微細孔
229  ヒートパイプ
230  ステンレス製内側ケージ
251  源貯蔵器
253  空気電極
254  ナフィオン膜
255  燃料電極
256  燃料送出膜(fuel delivery membrane)
261  ステンレス製ケージ  外部ケージ
262  ケージ接触部
264  触媒床の内面
268  凝縮物
269  燃料電極
270  電解質
271  空気電極
272  ヒートパイプ貯蔵器
274  燃料独立ヒートパイプ
275  水素ガス
280  流動抵抗管
284  熱交換貯蔵器
285  弁
289  燃料マニホールド
290  触媒キャビティ
291  ヒートパイプ
300  燃料セル  DC/DC変換器  整流器
301  チェックダイオード
302  キャパシタ
303  電力コントローラ
304  発光ダイオード
305  扇風機
306  テレビ
307  第1のスイッチ
308  第2のスイッチ
309  第3のスイッチ
340  予熱手段
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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